机器视觉中用工业镜头与工业相机CCD选型指导手册道

机器视觉中用工业镜头与工业相机CCD选型指导手册道镜头的参数指标光学镜头一般称为摄像镜头或摄影镜头，简称镜头，其功能就是光学成像。在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将成像目标聚焦在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能;合理选择并安装光学镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。1.镜头的相关参数1焦距焦距是光学镜头的重要参数，通常用 f 来表示。焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，视场角大，所观察的范围也大，但距离远的物体分辨不很清楚;焦距数值大，视场角小，观察范围小，只要焦距选择合适，即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚。由于焦距和视场角是一一对应的，一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角，所以在选择镜头焦距时，应该充分考虑是观测细节重要，还是有一个大的观测范围重要，如果要看细节，就选择长焦距镜头;如果看近距离大场面，就选择小焦距的广角镜头。2光阑系数即光通量，用 F 表示，以镜头焦距 f 和通光孔径 D 的比值来衡量。每个镜头上都标有最大 F 值，例如6mm/F1.4 代表最大孔径为 4.29 毫米。光通量与 F 值的平方成反比关系，F 值越小，光通量越大。镜头上光圈指数序列的标值为 1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22 等，其规律是前一个标值时的曝光量正好是后一个标值对应曝光量的 2 倍。也就是说镜头的通光孔径分别是 1/1.4，1/2，1/2.8，1/4，1/5.6，1/8，1/11，1/16，1/22，前一数值是后一数值的根号 2 倍，因此光圈指数越小，则通光孔径越大，成像靶面上的照度也就越大。3景深摄影时向某景物调焦，在该景物的前后形成一个清晰区，这个清晰区称为全景深，简称景深。决定景深的三个基本因素: 光圈光圈大小与景深成反比，光圈越大，景深越小。焦距焦距长短与景深成反比，焦距越大，景深越小。物距物距大小与景深成正比，物距越大，景深越大。4光谱特性光学

镜头的光谱特性主要指光学镜头对各波段光线的透过率特性。在部分机器视觉应用系统中，要求图像的颜色应与成像目?甑难丈

哂薪细叩囊恢滦浴,虼讼, 鞑ǘ瓮腹庋Ь低肥保谧芮慷壬嫌幸欢ㄋ鹗猓涔馄鬃槌刹不发生改变。影响光学镜头光谱特性的主要因素为:膜层的干涉特性和玻璃材料的吸收特性。在机器视觉系统中，为了充分利用镜头的分辨率，镜头的光谱特性应与使用条件相匹配。即:要求镜头最高分辨率的光线应与照明波长、CCD 器件接受波长相匹配，并使光学镜头对该波长的光线透过率尽可能的提高。5镜头的分辨率描述镜头成像质量的内在指标是镜头的光学传递函数与畸变，但对用户而言，需要了解的仅仅是镜头的空间分辨率，以每毫米能够分辨的黑白条纹数为计量单位，计算公式为:镜头分辨率,,180,画幅格式的高度。由于摄像头 CCD 靶面大小已经标准化， 1/2 英寸摄像头，如其靶面为宽 6.4mm,高 4.8mm，1/3 英寸摄象机为宽 4.8mm,高 3.6mm。因此对 1/2 英寸格式的 CCD 靶面，镜头的最低分辨率应为38 对线,mm，对 1/3 英寸格式摄像头，镜头的分辨率应大于 50 对线，摄像头的靶面越小，对镜头的分辨率越高。6 光圈或通光量镜头的通光量以镜头的焦距和通光孔径的比值来衡量，以,为标记，每个镜头上均标有其最大的,值，通光量与,值的平方成反比关系，,值越小，则光圈越大。所以应根据被监控部分的光线变化程度来选择用手动光圈还是用自动光圈镜头。7镜头接口镜头和摄像头之间的接口有许多不同的类型，工业摄像头常用的包括 C 接口、CS 接口、F 接口、V接口、T2 接口、徕卡接口、M42 接口、M50 接口等。接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各种常用接口之间的转接口。以镜头安装分类所有的摄像头镜头均是螺纹口的，CCD 摄像头的镜头安装有两种工业标准，分别是C-mount 和 CS-mount。两者都有一个 1 英寸长的螺纹，但两者不同在于镜头安装到摄像头后，镜头到传感器之间的距离: CS-mount: 图像传感器到镜头之间的距离应为 12.5 mm C-mount: 图像传感器到镜

头之间的距离应为 17.5 mm。一个 5 mm 的垫圈C/CS 连接环可用于将 C-mount 镜头转换为 CS-mount 镜头2.镜头各参数间的相互影响关系1焦距大小的影响情况: 焦距越小，景深越大; 焦距越小，畸变越大; 焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低;2光圈大小的影响情况: 光圈越大，图像亮度越高; 光圈越大，景深越小; 光圈越大，分辨率越高;3像场中央与边缘一般像场中心较边缘分辨率高; 一般像场中心较边缘光场照度高;4光波长度的影响: 在相同的摄像头及镜头参数条件下，照明光源的光波波长越短，得到的图像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源，对提高系统精度有很大的作用。镜头的分类1按外形功能分类可分为球面镜头、非球面镜头、针孔镜头、鱼眼镜头等。2 按尺寸大小分类可分为 1 英寸、1/2 英寸、1/3 英寸、1/4 英寸等。摄像头镜头规格应视摄像头的 CCD 尺寸而定，两者应相对应，即摄像头的 CCD 靶面大小为 1/2 英寸时，镜头应选 1/2 英寸。摄像头的 CCD 靶面大小为 1/3 英寸时，镜头应选 1/3 英寸。摄像头的 CCD靶面大小为 1/4 英寸时，镜头应选 1/4 英寸。如果镜头尺寸与摄像头 CCD 靶面尺寸不一致时，观察角度将不符合设计要求，或者发生画面在焦点以外等问题。3 按镜头光圈分类可分为手动光圈(manual iris)和自动光圈(auto iris)，配合摄像头使用，手动光圈镜头适合于亮度不变的应用场合，自动光圈镜头因亮度变更时其光圈亦作自动调整，故适用亮度变化的场合。4按变焦类型分类根据焦距能否调节，可分为定焦距镜头和变焦距镜头两大类。依据焦距的长短，定焦距镜头又可分为鱼眼镜头、短焦镜头、标准镜头、长焦镜头四大类。需要注意的是焦距的长短划分并不是以焦距的绝对值为首要标准，而是以像角的大小为主要区分依据，所以当靶面的大小不等时，其标准镜头的焦距大小也不同。变焦镜头上都有变焦环，调节该环可以使镜头的焦距值在预定范围内灵活改变。变焦距镜头最长焦距值和最短焦距值的比值称为该镜头的变焦倍率。变焦镜头有可分为手动变焦和电动变焦两大类。

变焦镜头由于具有可连续改变焦距值的特点，在需要经常改变摄影视场的情况下非常方便使用，所以在摄影领域应用非常广泛。但由于变焦距镜头的透镜片数多、结构复杂，所以最大相对孔径不能做得太大，致使图像亮度较低、图像质量变差，同时在设计中也很难针对各种焦距、各种调焦距离做像差校正，所以其成像质量无法和同档次的定焦距镜头相比。变焦距镜头定焦距镜头手动变焦电动变焦鱼眼镜头短焦镜头标准镜头长焦镜头实际中常用的镜头的焦距是从 4 毫米到 300 毫米的范围内有很多的等级，如何选择合适焦距的镜头是在机器视觉系统设计时要考虑的一个主要问题。光学镜头的成像规律可以根据两个基本成像公式牛顿公式和高斯公式来推导，对于机器视觉系统的常见设计模型，我们一般是根据成像的放大率和物距这两个条件来选择合适焦距的镜头的，在此给出一组实用的计算公式: 放大率:mh’/hL’/L 物距:L f11/m 像距:L’ f1m 焦距:f L/11/m 物高:h h’/m h’L-f/f 像高:h’ mh hL’-f/f5按焦距长短分类可分为长焦距镜头、标准镜头、广角镜头、变焦距镜头等。长焦距镜头因入射角较狭窄，故仅能提供狭窄视景，适用于长距离监视;标准镜头，即中焦距镜头，焦距的长度视 CCD 的尺寸而定。广角镜头，即短焦距镜头，因入

射角较宽，可提供一个较宽广的视野。变焦距镜头通常为电动式，可作广角、标准或远望等镜头使用。6特殊用途镜头显微镜头(Micro)，一般是指成像比例大于 10:1 的拍摄系统所用，但由于现在的摄像头的像元尺寸已经做到 3 微米以内，所以一般成像比例大于 2:1 时也会选用显微镜头。微距镜头(Macro)，一般是指成像比例为 2:1,1:4 的范围内的特殊设计的镜头。在对图像质量要求不是很高的情况下，一般可采用在镜头和摄像头之间加近摄接圈的方式或在镜头前加近拍镜的方式达到放大成像的效果。远心镜头(Telecentric)，主要是为纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。

紫外镜头(Ultraviolet)和红外镜头(Infrared)，一般镜头是针对可见光范围内的使用设计的，由于同一光学系统对不同波长的光线折射率的不同，导致同一点发出的不同波长的光成像时不能会聚成一点，产生色差。常用镜头的消色差设计也是针对可见光范围的，紫外镜头和红外镜头即是专门针对紫外线和红外线进行设计的镜头。7特殊用途镜头镜头和摄像头之间的接口有许多不同的类型，工业摄像头常用的包括 C 接口、CS 接口、F 接口、V接口、T2 接口、徕卡接口、M42 接口、M50 接口等。接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各种常用接口之间的转接口。 C 接口和 CS 接口是工业摄像头最常见的国际标准接口，为 1 英寸,32UN 英制螺纹连接口，C 型接口和 CS 型接口的螺纹

CS 型接口的后截距为连接是一样的，区别在于 C 型接口的后截距为

17.5mm，

12.5mm。所以 CS 型接口的摄像头可以和 C 口及 CS 口的镜头连接使用，只是使用 C 口镜头时需要加一个 5mm 的接圈;C 型接口的摄像头不能用 CS 口的镜头。 F 接口镜头是尼康镜头的接口标准，所以又称尼康口，也是工业摄像头中常用的类型，一般摄像头靶面大于 1 英寸时需用 F 口的镜头。 V 接口镜头是著名的专业镜头品牌施奈德镜头所主要使用的标准，一般也用于摄像头靶面较大或特殊用途的镜头。光源照明设计照明的目的是增强对比度。在一幅机器视觉的图像中，对比度代表着图像信号的质量，它反应了两个区域间的差别，比如物体和背景的差别。因此，设计光源照明的第一步是确定区域间的不同，然后用光源来突出这些不同之处。1 光源照明设计的基本因素主要有 4 个基本因素要重点考虑:(1) 镜头的视场在照明系统的设计中，应根据被测对象的尺寸确定镜头的视场。而后，再根据镜头视场的大小决定最佳的照明系统。(2) 照明系统与工件的间距在设计系统中，需全面的了解镜头到工作的距离，照明系统到工件的距离，从而确定光源

与工件的距离。(3) 工件的外形、条件和颜色照明的选择是由工件表面的形状、平坦度、光滑程度等条件决定的。最佳的照明颜色(红、兰、绿、白)可通过检测工作或被检测区域的颜色来决定。(4) 成像物镜一般情况下，应针对确定的成像物镜进行照明系统的设计，其检验标准为:工件中需要可视化的部分、划痕、缺陷等是否被显现出来，工件表面上的印纹是否能够辨认等。2 突显不同区域的方法反射系数 ---- 从物体反射出的光量是可以度量的。有两种不同的反射方法: a 镜面反射:入射角等于出射角。 b 漫反射:由于物体表面不平，出射光方向各异。颜色 ---- 也就是光谱分布，我们从三个角度来衡量颜色: a 波长:比如绿光的波长为

550nm。 b 两种或两种以上光波的混合比:混合的目的是为了产生另一种光。比如黄光(波长 620nm)和蓝光(波长 480nm)混合在一起便会成为绿光，然而实际上，光谱

的分布中并没有绿光的分布。 c 补色:从白光中移除的那部分光与剩余的光互为补色光。比如，白色金属铁和黄色金属金颜色不同并不是金反射的黄光比铁多，而是反射的蓝光比铁少。白光中去除蓝光即为黄光。光密度 ---- 由于不同物体材料、厚度和化学性质不同，所以投射光的数量和强度也不同。光密度会在整个光谱范围不同，或者只在某一个范围不同。一般来说，背光是鉴别光密度不同的最好方法。折射 ---- 不同透明物质折射率不同，所以它们会以不同的方式影响光的传播。比如，空气气泡混合在玻璃里面，当光线直射时，会出现或明或暗的气泡边缘。纹理 ---- 物体表面纹理有些是可辨识的，有些是过于微小无法处理的，但是它会影响光线的反射。有些情况下，纹理非常重要，必须用光源来突出它;而另外一些情况下，纹理则相当于噪声，必须用光源来突出其它而弱化纹理。深度 ---- 用直射光可以突出物体的深度(影子效应)，而散射光则可以弱化物体的深度。表面曲向 ---- 由于曲率的不同，表面各处呈现的特性不一样。折射光往往会突出这些特性，而散射光会削弱这些特性。3 照明技术1一般目的的照明通用照明一般采

用环状或点状照明。环灯是一种常用的通用照明方式，其很容易安装在镜头上，可给漫反射表面提供足够的照明。2背光照明: 背光照明是将光源放置在相对于摄像头的物体的背面。这种照明方式与别的照明方式有很大不同因为图像分析的不是发水光而是入射光。背光照明产生了很强的对比度。应用背光技术时候，物体表面特征可能会丢失。例如，可以应用背光技术测量硬币的直径，但是却无法判断硬币的正反面。3同轴照明: 同轴照明是与摄像头的轴向有相同的方向的光照射到物体的表面。同轴照明使用一种特殊的半反射镜面反射光源到摄像头的透镜轴方向。半反射镜面只让从物体表面反射垂直于透镜的光源通过。同轴照明技术对于实现扁平物体且有镜面特征的表面的均匀照明很有用。此外此技术还可以实现使表面角度变化部分高亮，因为不垂直于摄像头镜头的表面反射的光不会进入镜头，从而造成表面较暗。连续漫反射照明:连续漫反射照明应用于物体表面的反射性或者表面有复杂的角度。连续漫反射照明应用半球形的均匀照明，以减小影子及镜面反射。这种照明方式对于完全组装的电路板照明非常有用。这种光源可以达到 170 立体角范围的均匀照明。4暗域照明: 暗域照明是相对于物体表面提供低角度照明。使用相机拍摄镜子使其在其视野内，如果在视野内能看见光源就认为使亮域照明，相反的在视野中看不到光源就是暗域照明。因此光源是亮域照明还是暗域照明与光源的位置有关。典型的，暗域照明应用于对表面部分有突起的部分的照明或表面纹理变化的照明。5结构光: 结构光是一种投影在物体表面的有一定几何形状的光(如线形、圆形、正方形)。典型的结构光涉及激光或光纤。结构光可以用来测量相机到光源的距离。多轴照明:在许多应用中，为了使视野下不同的特征表现不同的对比度，需要多重照明技术。如何选择光源1. 如何评价一个光源的好坏,1 对比度对比度对机器视觉来说非常重要。机器视觉应用的照明的最重要的任务就是使需要被观察的特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度，从而易于特征的区分。对比度定义为在特征与其周围的区域之间有足够的灰度量区别。好的照明应该能够

保证需要检测的特征突出于其他背景。2 鲁棒性鲁棒性就是对环境有一个好的适应。好的光源需要在实际工作中与其在实验室中的有相同的效果。3 亮度当选择两种光源的时候，最佳的选择是选择更亮的那个。光源的亮度不够，必然要加大光圈，从而减小了景深。4 均匀性均匀性是光源一个很中要的技术参数。均匀性好的光源使系统工作稳定。5 可维护性

可维护性主要指光源易于安装，易于更换。6 寿命及发热量光源的亮度不易衰减过快，这样会影响系统的稳定，增加维护的成本。发热量大的灯亮度衰减快，光源的寿命也会受到很大影响。2. 如何依靠光源增强图像对比度,使用相同颜色的光或相近颜色的光源照射可以使被照射部分变亮;使用相反颜色的光或相近颜色的光源照射可以使被照射部分变暗。不同的波长，对物质的穿透力穿透率不同，波长越长，对物体的穿透力愈强，波长越短，对物质表面的扩散率愈大。3. 选光源的一些技巧需要前景与背景更大的对比度，可以考虑用黑白相机与彩色光源环境光的问题，尝试用单色光源，配一个滤镜闪光曲面，考虑用散射圆顶光闪光，平的，但粗糙的表面，尝试用同轴散射光看表面的形状，考虑用暗视场低角度检测塑料的时候，尝试用紫外或红外光需要通过反射的表面看特征，尝试用低角度线光源暗视场单个光源不能有效解决问题时考虑用组合光源频闪能够产生比常亮照明 20 倍强的光4. AI 光源产品特点:1 美国 Ai 绝大多数光源用的是5mm 的LED，想比较3mm LED 光源: 功率大，亮度高排列稀，工作时，散热好，光源的寿命能较好的得到保证2 Ai 提供厚的散射板与均化器给用户选用。Ai 原装光源不配散射板与均化器。散射板在保证光源亮度的均匀性上有一定的作用，但是它大大的削弱光源的亮度。3 Ai 的同轴光源使用的薄散射板透光效率 1004 Ai 公司开发并取得专利的 Evenlite 对准技术可以使按位置设计出的 LED 光源发出均匀的光。优点是用较少的 LED，获得亮度较强的光源;LED 少，工作时热量少，光源的寿命得到延长。工业摄像

Resolution):摄像头每次采集图像的像素点数(Pixels)，头主要技术参数1.

分辨率(

对于数字摄像头一般是直接与光电传感器的像元数对应的， PAL 对于模拟摄

像头则是取决于视频制式，制为768×576，NTSC 制为640×480。2. 像素深度 : (Pixel Depth) 即每像素数据的位数，一般常用的是 8Bit，对于数字摄像头一般

还会有 10Bit、12Bit 等。3. 最大帧率(Frame Rate)/行频(Line Rate):摄像头采集传输图像的速率，对于面阵摄像头一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec.)，对于

线阵摄像头为每秒采集的行数(Hz)。4. 曝光方式(Exposure)和快门速度(Shutter):对于线阵摄像头都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间;面阵摄像头有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，数字摄像头一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到 10 微秒，高速摄像头还可以更快。5. 像元尺寸(Pixel Size):像元大小和像元数(分辨率)共同决定了摄像头靶面的大小。目前数字摄像头像元尺寸一般为3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越

不容易提高。6. 光谱响应特性(Spectral Range):是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是 350nm,1000nm，一些摄像头在靶面前加了一个滤镜，

滤除红外光线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。视觉系统常用摄像头

分类1.工业摄像头摄像头是机器视觉系统获取图像的关键部件，摄像头和数码照

相机、扫描仪等又被统称为图像传感器，它将被处理目标物体的光形象转换成被称为视频的电信号，将这个信号 A/D 转换并送到处理器后就可以处理、分析、识别

该目标物体了。近二十年前，工业控制用的摄像头大多为光导摄像真空管(Vidicon)，但随着 CCD(Charge CoupledDevices电荷耦合器件)的革命性发展，

体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、价格低的 CCD 摄像头不断出现。同时随

着 CCD 的发展，又大大促进了机器视觉的发展，针对机器视觉所要处理的目标图

像大多为运动物体，

电子快门、外触发的扫描再启动、逐行扫描以及通过串行总线对摄像头进行远

距离控制和调节等功能的出现，更大地促进了机器视觉系统的开发。所有这些主要

针对机器视觉系统而开发出来的 CCD 摄像头的功能是过去的光导摄像真空管所无

法比拟的。2 机器视觉系统常用摄像头分类 2.1 根据不同感光芯片划分我们知道

感光芯片是摄像头的核心部件，目前摄像头常用的感光芯片有 CCD 和 CMOS 两

种: ,(CCD 摄像头，CCD 称为电荷耦合器件，CCD 实际上只是一个把从图像半导体

中出来的电子有组织地储存起来的方法。 ,(CMOS 摄像头，CMOS 称为“互补金属

氧化物半导体”，CMOS 实际上只是将晶体管放在硅块上的技术，没有更多的含

义。尽管 CCD 表示“电荷耦合器件”而 CMOS 表示“互补金属氧化物半导体”，

但是不论 CCD 或者 CMOS对于图像感应都没有用，真正感应的传感器称做“图像

半导体”，CCD 和 CMOS 传感器实际使用的都是同一种传感器“图像半导体”，图.